煤炭地质 矿井地质

• 分形界面吸附行为初探

  金毅;李娅妮;宋慧波;赵梦余;杨运航;陈泽楠;

  煤层气吸附解吸机理研究是揭示煤层气成藏机理及高效开发煤层气的基础。已有研究表明，煤储层孔隙结构非常复杂且具有分形特征，煤层气在孔-固界面的吸附行为明显受到煤孔隙结构特征的影响。对比分析几种常用气-固界面上的吸附模型，总结这些模型的特点和适用条件，指出当前吸附模型在分形界面吸附行为的描述和应用上均未摆脱吸附选择性的平稳假设，尚未考虑吸附厚度的尺度不变特征。而分形拓扑理论可以有效标定分形对象的尺度不变属性，为分形界面的等效表征提供了理论支撑。因此，结合上述模型对气-固界面吸附行为的描述，借助分形拓扑理论提出煤储层孔-固界面上分形吸附行为的相关假设及其控制机理，构建基于吸附拓扑的单层吸附模型。在此基础上，通过设置不同的吸附拓扑参数组合获取其等温吸附曲线，分析得出，随着吸附压力的升高，吸附覆盖率表现出指数、线性和对数3种不同的增长趋势，而吸附热表现为对数减小趋势。结果显示，不同的吸附拓扑参数组合会得到不同类型的等温吸附曲线，在一定程度上弥补了Langmuir方程只能描述单一类型等温吸附线的不足。为了验证吸附模型的适用性，结合沁水盆地武乡区块富有机质泥页岩的液氮吸附实验数据，对比了实际等温吸附曲线与模拟吸附曲线的差异。结果表明，通过调整各吸附拓扑参数之间的组合关系，可以使等温吸附模拟曲线与实际吸附曲线的趋势始终保持一致。最后，探讨了吸附解吸机理的研究方向，类比电子层提出了吸附层的概念，指出发展分形动力学描述模型是解释煤层气吸附解吸规律的关键。

  2024年05期 v.52;No.317 1-11页 [查看摘要][在线阅读][下载 2040K]
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• 基于多区组合煤体的煤与瓦斯突出动力学机制

  李峰;王琛琛;王博;荆亚东;闫正旭;张民波;

  煤与瓦斯突出(以下简称“突出”)严重影响煤炭安全开采，其背后涉及的众多科学问题仍未解决。为降低煤体力学性质各向异性对突出研究的困扰，构建多区组合煤体模型；基于上覆岩层应力分布特征及应力波传播机制确定“弱区”煤体位置，将研究对象由“突出中心体”具体为“弱区”。由于外部动载扰动是导致突出的激发条件，采用冲击试验研究应力波在层状组合煤岩体中的传播规律，构建组合煤岩体应力-应变本构模型。进而明确卸载波作用下，煤体轴向多层层裂是煤体质点内撞击形成加载冲击波在自由面反射形成拉应力波导致的；煤体径向平面，由于泊松效应形成卸载波追赶塑性加载波的情形，生成多个径向裂隙及环向裂隙，得到煤体层裂片厚度动态演化规律。从而明确在外部动载扰动下，煤体“弱区”最先破坏，轴向产生多层层裂、径向平面产生多个径向及环向裂隙的三维损伤路径。基于此，提出一种基于多区组合煤体的突出动力学机制，将突出划分为准备、启动、发展、终止四个阶段。突出准备阶段，煤体上覆岩层应力转移、集中，高瓦斯压力梯度形成，为后续煤体失稳破坏创造条件；突出启动阶段，煤体受外部动载扰动，轴向“弱区”煤体最先发生破坏、形成多层层裂，径向平面形成多个径向及环向裂隙；突出发展阶段，吸附态瓦斯解吸与游离态瓦斯积聚形成高压瓦斯抛出煤体，导致突出继续向深部煤体发展，形成二次损伤；突出终止阶段，积聚形成的瓦斯压力低于煤体抗拉强度，形成稳定的纺锤形突出腔体，突出终止。该机制初步解释了突出过程中“响煤炮”“口小腔大”突出孔洞等动力现象成因，为矿井防突工作提供了新思路。

  2024年05期 v.52;No.317 12-24页 [查看摘要][在线阅读][下载 4114K]
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• 天然焦内炭微球显微光学特征、成因及其意义

  安燕飞;陈凯鑫;王亚乔;程硕;黄楗;何舒扬;王胜建;

  天然焦内炭微球是煤层遭受岩浆速热变质的产物，其显微光学特征成因解析有助于深入认识煤速热碳化和热变质。采集安徽淮北石台煤矿富含炭微球的天然焦样品，利用高分辨率反射偏光显微镜和扫描电镜等实验手段，表征了天然焦中炭微球的粒度、分布、显微光学和超微组构特征，以揭示其光学各向异性的成因和热演化意义。结果显示，远离岩体天然焦中炭微球以粗粒为主，粒径10～100μm，少数可达150μm以上；紧邻岩体天然焦炭微球以细粒为主，粒径1～10μm，在岩体内脉状焦内甚至低至1μm以下。分析显示，粗粒炭微球和炭半球分别发育“十字”消光和“波状”消光，是其内部放射状一轴晶光率体在切面内投影的光学表征；细粒炭微球发育“十字-双曲线”消光，是其内部放射排布的二轴晶光率体切片投影的旋转效应。由此可见，趋近岩体，伴随着镜质体反射率增加，煤焦光率体逐渐由规则球形(光性均质体)，向二轴椭球体(一轴晶)和三轴椭球体(二轴晶)转变。在该过程中，“十字”消光和“波状”消光的粗粒炭微球是煤热脱挥发分的产物，而“十字-双曲线”消光的细粒炭微球是煤热缩聚而片层化的标志。天然焦中炭微球的显微光学特征是煤层趋热碳化的结果，本质上是其光率体受热变形的光学表征，可有效评价岩浆蚀变煤焦的热变质程度。

  2024年05期 v.52;No.317 25-36页 [查看摘要][在线阅读][下载 7390K]
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• 承压破碎煤体应变和孔渗演化机制与模型研究

  李磊;卢守青;褚廷湘;仲晓星;刘重阳;REN Ting;

  采空区垮落带遗煤区域作为煤、氧低温反应的主要场所，其应变、孔隙率和渗透率演化模型的研究对深入认识煤自燃发展过程与规律有重要意义。基于团队自主研发的承压破碎煤体气体渗流实验装置，开展了单一粒径与混合粒径煤体承压渗流过程应变、孔隙率和渗透率演化规律研究。对不同粒径下的应变、孔隙率和渗透率随应力变化情况进行分析，结果显示：相关变化过程可以分为2个阶段，即轴向应力≤6 MPa时的线性变化阶段与>6 MPa时的指数函数变化阶段，初步表明破碎煤体的变形、孔隙率和渗透率的变化机制一致、同粒径无关，轴向应力=6 MPa时的状态属于关键节点状态，其对应的应变、孔隙率和渗透率分别承接着各自上下2种不同的变化机制；轴向应力≤6 MPa和>6 MPa条件下三者变化的主要原因分别是颗粒的压缩作用和滑移填充作用；轴向应力=6 MPa时不同粒径破碎煤体承压过程中的应变、孔隙率和渗透率分别同各自的应变、孔隙率、渗透率变化路径有一一映射关系，据此建立了相应的应力-应变、应力-孔隙率和应力-渗透率关系的模型；模型对比、验证结果表明，所建模型虽源于多种粒径破碎煤体实验，但摆脱了粒径因素的影响，同实验结果有着良好的匹配性，达到了较为理想的效果。相关研究成果可为采空区煤自燃早期预防与控制提供科学依据。

  2024年05期 v.52;No.317 37-45页 [查看摘要][在线阅读][下载 2374K]
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• 基于BOTDR的区段煤柱水平变形监测

  柴敬;郝鸿儒;杨健锋;高登彦;高奎英;陈建华;杨磊;刘泽宇;

  针对煤柱内部微裂纹萌生、变形破坏等潜在安全隐患，利用布里渊光时域反射(BOTDR)分布式光纤传感技术进行煤柱水平变形监测。首先，根据煤柱破坏碎胀特性理论分析，建立了光纤轴向应变与水平变形的转化方法；其次开展室内试验确定了金属基索状传感光纤轴向拉伸响应情况，并根据煤柱变形破坏规律修正了应变系数，最后以陕西大柳塔煤矿活鸡兔井为工程背景，对22206工作面区段煤柱水平变形实现现场监测。监测结果表明：区段煤柱采动侧和未采动侧存在明显的水平变形差异，采动侧变形量最大，约为未采动侧的5倍，但煤柱整体水平变形较小，仅出现弹性变形，煤柱较稳定；煤柱变形分区明显，呈现中部为弹性核区，两侧为塑性破坏区的分区特征；工作面从测点前20 m推进至测点后40 m时，煤柱水平应变呈指数增长，远离测点之后变形趋于稳定，反映煤柱变形与采动应力扰动之间的动态关联；通过分析煤柱水平应变与垂直应力，发现两者呈指数相关关系，定量建立了煤柱水平应变与垂直应力关系式，说明煤柱变形与破坏很大程度上取决于采动应力的分布与演化。利用BOTDR技术对区段煤柱内部变形进行监测可以精确获取区段煤柱内部的微观变形信息，对于煤柱留设尺寸确定、围岩控制及采空区压力评估等具有重要指导意义。

  2024年05期 v.52;No.317 46-55页 [查看摘要][在线阅读][下载 4001K]
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煤系气 煤伴生矿产

• 临兴–神府区块深部煤层气地球化学特征及其影响因素

  吴鹏;胡维强;李洋冰;马立涛;李勇;赵霏;牛艳伟;陈建奇;李盼盼;刘再振;李晨晨;曹地;刘成;

  查明深部煤层气成因和地球化学特征对其勘探开发具有重要意义,以鄂尔多斯盆地东缘临兴-神府区块深部煤层参数井解吸气为研究对象,系统测试了二叠系下统太原组8+9号煤层气体成分、含量和碳同位素等,结合热演化程度、含气性、煤层埋深、地质构造和水文地质条件等,分析深部煤层气地球化学特征及影响因素。结果表明,煤层气主要成分包括CH_4、CO_2、N_2、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷和正戊烷,其中CH_4含量最高,体积分数在75.98%～96.20%,平均86.49%;其他含量较高的为乙烷(平均5.97%)、CO_2(平均5.18%)及丙烷(平均1.24%),气体成分含量与浅部煤层气区块无明显差异。煤层气δ~(13)C_1(CH_4)分布在-51.9‰～-38.2‰,平均-42.84‰;δ~(13)C_(CO2)分布在-8.6‰～-0.63‰,平均-4.66‰;δ~(13)C_2分布在-27.36‰～-18.70‰,平均-25.27‰;δ~(13)C_3分布在-25.96‰～-14.69‰,平均-22.93‰,且煤层气主要为热成因气体;δ~(13)C_1(CH_4)较浅部小,δ~(13)C_(CO2)较浅部大。在平面上,从临兴地区东南向西北δ~(13)C_1呈增大趋势。从石炭纪起直到三叠纪末,研究区一直处于沉降状态;中侏罗世和早白垩世为主要生烃期,中侏罗世生烃持续时间较长,平均生烃速率较小,生烃产率一般;早白垩世生烃速率较大,生烃产率增加值较高,生气强度达到历史最大,是主要的生烃期。受气体分馏作用、储层孔裂隙发育特征、储层压力以及煤层顶底板密封性的控制,δ~(13)C_1随着镜质体最大反射率(R_(max))、含气量和埋深的增加而增加;在向斜核部区、断层应力集中区和褶皱两翼发育区的δ~(13)C_1值相对较大;在断层应力释放区和背斜核部δ~(13)C_1相对较大,这表明该区域的煤层气封存条件较差,不利于煤层气富集;受地下水溶解的影响,在水动力条件较强的地区δ~(13)C_1值较小;在弱流体动力学或滞流区δ~(13)C_1没有明显的变轻趋势。综合煤层气地球化学指标认为,临兴和神府地区东南部煤层气富集,且前者更有利,这对后期煤层气选区布井提供参考。

  2024年05期 v.52;No.317 56-66页 [查看摘要][在线阅读][下载 1786K]
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• 新型射孔动态仿真模拟及适用性评价

  毕刚;元沛杰;韩斐;付帅帅;吴捷敏;马颖;

  射孔完井技术的发展与完善对油气田的高效测试和开采具有重要的现实意义和实用价值。但低渗透储层(如低渗煤层)采用常规聚能射孔完井时，存在压实损坏带，导致渗流阻力大、产能降低等问题。为改善低渗透储层的开发效果，提出了自清洁、后效体等新型射孔技术，但其射孔效果、适用性等问题尚不明确。基于LS-DYNA的显示时间积分算法及流固耦合机理，形成地层-水泥环-套管-射孔弹动态射孔有限元模型建立方法，制定了不同射孔技术条件下动态射孔数值模拟方案，建立了不同射孔技术的有限元模型，并开展了不同射孔技术动态射孔仿真模拟研究，基于数值模拟研究结果，对2种射孔技术的适用性进行了分析研究。结果表明：自清洁和后效体射孔较常规射孔孔深有所下降，但孔径较常规射孔扩大15%左右。孔深和孔径与抗压强度、弹性模量、围压成反比，与孔隙率成正比，负压对单一射孔效果的影响较小。针对中孔低渗、低孔低渗油气藏，自清洁、后效体射孔技术孔道容积较常规分别增大9.55%、12.23%左右，射孔效果突出。上述研究结果可为自清洁与后效体射孔技术的设计与应用提供理论支撑，对两种射孔技术的发展及其对低渗储层(如低渗煤层)油气井的增产有着重要的意义。

  2024年05期 v.52;No.317 67-76页 [查看摘要][在线阅读][下载 2609K]
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• 煤层气L型水平井防窜气排采控制方法研究

  刘展;张群霞;耿宇欣;罗丹;王铭刚;

  煤层气采用L型水平井开发，可使单井稳产气量达到8 000 m3/d以上，但由于L型水平井无沉砂口袋，无法靠重力实现气、水自然分离，易发生油管窜气，导致泵效大幅下降，制约进一步排水降压。前期通过优化排采举升工艺，油管窜气现象得到了一定缓解，但对低流压产气井和高流压产气井的治理效果仍然不理想。以沁水盆地樊庄-郑庄区块L型水平井为例，通过研究分析56口发生油管窜气井的气、水变化规律，建立了窜气严重程度评价指标，利用灰色关联度法找出影响油管窜气的主控因素，明确产生油管窜气的原因，并在优化排采制度方面提出了2种防治油管窜气的方法。结果表明：井筒环空的液柱高度是引发油管窜气的先决条件，油管窜气随液柱高度降低突然发生，当液柱高度大于75 m时，出水口不窜气或以轻、中度窜气为主；当液柱高度小于75 m时，以重度窜气为主，且发生窜气后其窜气程度随液柱高度的降低呈指数增大。气液比是影响窜气程度大小的关键因素，且窜气程度随气液比的增大呈对数增大，当气液比小于30时，以轻度和中度窜气为主，当气液比大于30时，以重度窜气为主。通过控制恒定高套压，采取“控压排水”法，可有效提高泵吸入口附近两相流的持液率；通过控制日产气量，采取“控产排水”法，将泵吸入口附近的气液比降低至30以下，可有效降低油管窜气程度。在此基础上，结合防窜气排采举升工艺，最终实现油管窜气的标本兼治。

  2024年05期 v.52;No.317 77-87页 [查看摘要][在线阅读][下载 1811K]
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水文地质 工程地质 环境地质

• 隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理技术研究

  王海;

  我国西北地区烧变岩分布范围广、孔隙裂隙发育、富水性强，是当地的主要含水层，其中的隐伏火烧区烧变岩地表遗迹不明显、发现难度大，煤矿开采一旦导通烧变岩含水层将导致水害事故，同时会破坏烧变岩含水层水资源。为治理隐伏火烧区烧变岩水害并保护烧变岩含水层水资源，分析我国烧变岩分布特征及烧变岩水对煤矿开采影响，研究隐伏火烧区烧变岩探查和治理技术，开展隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理的示范应用，结合现场监测数据分析评价陕西柠条塔煤矿南翼隐伏火烧区含水层水害治理和水资源保护效果。结果表明：我国烧变岩主要分布于以昆仑山-秦岭-大别山为界的北方地区，隐伏烧变岩主要分布在鄂尔多斯盆地东北部、伊犁盆地南缘，被第四系松散层覆盖；隐伏火烧区烧变岩含水层与风化基岩含水层大多直接接触且连为一体，水力联系密切；烧变岩水害防治措施主要有留设烧变岩含水层防隔水煤柱、疏降烧变岩含水层积水和帷幕截流，其中截水帷幕可有效解放烧变岩含水层压覆的煤炭资源，解除烧变岩水害威胁并保护烧变岩含水层宝贵的地下水资源；通过精确探查出隐伏火烧区范围、布设注浆钻孔，将隐伏火烧区烧变岩含水层隔离为若干个含水体，断绝截水帷幕内外的水力联系，可保障工作面不受烧变岩水威胁，同时实现烧变岩水资源保护；柠条塔煤矿S1232工作面和S1233工作面隐伏火烧区烧变岩含水层治理后，其回采期间涌水量降至20 m3/h以内，工作面得以安全回采，截水帷幕内侧水位下降，外侧水位逐渐抬升，烧变岩水资源得到有效保护。

  2024年05期 v.52;No.317 88-97页 [查看摘要][在线阅读][下载 2333K]
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• 丙烯酰胺改性粉煤灰聚合增韧注浆材料研究

  张跃宏;王晓东;王海;武博强;姬中奎;朱世彬;韩乐;冯龙飞;

  煤矿采煤工作面顶板烧变岩涌(失)水高效治理需要具有压缩韧性优良的注浆加固材料。硅酸盐水泥基注浆材料成本低，已在煤矿注浆加固中广泛应用，但存在硬化浆体变形韧性较差的问题。采用丙烯酰胺(AM)原位聚合增韧的方法，研究丙烯酰胺、交联剂、引发剂的掺量和水灰比对粉煤灰基注浆材料的凝结时间、溶胀性、抗压强度、韧性指数的影响，并采用SEM观测硬化浆体的微观结构。结果表明，丙烯酰胺可以在粉煤灰浆液中原位聚合生成聚丙烯酰胺(PAM)凝胶；当AM掺量为25.0%，交联剂掺量为0.75%，引发剂掺量为2.25%，水灰比为0.575时，材料抗压变形率大于60%，溶胀比达到113.43，韧性指数达到257.92%；通过SEM观测发现，注浆材料硬化浆体形成以粉煤灰颗粒为刚性骨架、聚丙烯酰胺凝胶为柔性网络的无机有机镶嵌网络结构，硬化浆体的压缩应力-应变曲线的变形率普遍大于40%，具有显著的塑性变形特征；工程实验结果显示最大抗折韧性变形率可达到25.86%。该注浆材料具有优异的韧性、流动性及较好的遇水膨胀性，可用于煤矿顶板渗漏水治理。

  2024年05期 v.52;No.317 98-106页 [查看摘要][在线阅读][下载 3732K]
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• 机器学习方法在矿井水防治理论体系研究中的应用思考

  姚辉;尹慧超;梁满玉;尹尚先;侯恩科;连会青;夏向学;张金福;吴传实;

  致灾机理、危险性评价、灾变预测共同构成矿井水防治理论体系基本内容，其在过去20多年里快速发展，目标是理解矿井水行为特征，预测演化趋势，服务矿区水害防治工作。机器学习是大数据时代进行数据分析和挖掘的有力工具。将机器学习应用于矿井水防治理论体系研究，已得到相对广泛的关注。针对理论体系的3项基本内容，重点讨论了机器学习在各内容建设中的具体应用，主要包括：根据不同水害类型分类简述致灾机理研究现状，指出机器学习应用暂为空白的原因为其不具备做出假设的能力。认为未来致灾机理研究方法依然以传统方法(理论分析、数值模拟、相似模拟等)为主，机器学习促进地质数据获取与处理，对机理研究作出贡献；分析方法优势，指出机器学习作用于危险性评价的主要方式为非结构化数据的处理及丰富评价方法；分析基于物理和基于数据的单一预测模式弊端，论述物理模型与数据驱动相结合的必要性，相应给出“模型-数据”双驱动预测模式的3种实现形式，并讨论了基于图像的灾变预测方法可行性。随着生产数据及地质数据的丰富，机器学习方法可推动理论体系研究快速发展，并为矿井水防治学科系统方法论研究作出贡献。

  2024年05期 v.52;No.317 107-117页 [查看摘要][在线阅读][下载 1567K]
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• 大变幅加卸载下特厚煤层底板断层突水机理模拟研究

  李浩;朱开鹏;郭国强;周杨;康志勤;

  特厚煤层采场空间大、扰动范围广，强烈大变幅荷载易导致底板断层破裂加剧并诱发水害。数值模拟是揭示特厚煤层底板断层活化与突水机理的重要方法，准确反映大变幅加卸载下岩体破裂与裂隙水耦合特征是其合理性的关键。构建损伤变量与塑性应变、应力之间的相关关系，得到完整岩块的拉、加压卸载损伤演化方程；以平方拉剪应力与Benzeggagh-Kenane为初始、完全断裂准则，建立塑性位移与强度劣化关系，建立加卸载韧性断裂本构关系；基于实验数据建立贯通裂隙加卸载剪切本构关系。以基本方程与状态方程为基础，结合浸没边界方法，形成裂隙岩体水力学模拟理论。由此编制流体动力学-有限离散元CFD-FDEM耦合程序，模拟研究特厚煤层底板断层活化突水过程。结果表明：CFD-FDEM耦合程序可数值实现特厚煤层底板断层从(准)连续体到离散体转化，以及断层带裂隙水运移过程。底板断层采动破坏包络线呈W形，最深位于断层及其上盘(48.6 m)，最浅位于断层下盘(23 m)。特厚煤层采场底板断层及其上盘受到较大超前集中应力，而后在采空区内大幅卸载，导致该位置出现显著二次破坏，并形成主要导水通道。研究成果为特厚煤层工作面底板断层水害防治提供理论支撑。

  2024年05期 v.52;No.317 118-128页 [查看摘要][在线阅读][下载 8927K]
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• 黄陇煤田典型特厚煤层综放开采涌水机理与导水裂隙带发育规律

  闫和平;李文平;段中会;杨玉贵;

  黄陇侏罗纪煤田厚煤层开采导水裂隙带发育高度大，易导通上覆白垩系洛河组巨厚砂岩含水层，区内青岗坪煤矿回采期间出现典型的“脉冲式”涌水特征，给矿井的安全回采造成严重影响。以青岗坪煤矿42105综放工作面为研究对象，采用3DEC离散元模拟、钻孔冲洗液漏失量、综合物探以及钻孔电视相结合的实测方法，对工作面回采过程中覆岩导水裂隙带和离层发育规律进行研究，探究该典型地质条件下矿井的涌水机制与导水裂隙带发育特征。结果表明：42105工作面导水裂隙带受覆岩周期性垮落影响不断向上发育，洛河组孔裂隙砂岩静储水不断释放，间歇性涌入工作面，形成幅值稍低的“脉冲式”涌水；在采动影响下巨厚砂岩含水层内不断出现离层，导水裂隙带导通砂岩含水层离层积水区，致使涌入工作面的瞬时涌水量突增，形成幅值较高的“脉冲式”涌水。结合现场钻孔冲洗液漏失量实测、综合物探以及钻孔电视结果，揭示了青岗坪煤矿洛河组孔裂隙砂岩静储水与离层水叠加影响的“脉冲式”涌水机理，确定导水裂隙带的最大发育高度为316.83～333.00 m，裂采比为30.17～31.71。研究结果对于类似地层条件下矿井涌水的防治和安全高效回采具有指导意义。

  2024年05期 v.52;No.317 129-138页 [查看摘要][在线阅读][下载 3318K]
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• 露天煤矿排土场长时序植被碳汇分级方法构建及分析

  杨飞;崔宽宽;张成业;李军;王金阳;杜甜梦;张浩然;

  植被碳汇是露天煤矿生态环境评价的重要指标，精确反演植被碳汇并进行准确分级对探索矿区生态修复至关重要。为此，提出一种基于粒子群优化算法的露天煤矿植被碳汇分级方法。基于Landsat遥感影像和气象数据，采用光能利用率模型，反演出内蒙古胜利一号露天煤矿区2005-2020年间排土场的植被碳汇时空分布；通过构建目标函数并迭代计算，获取了该区植被理想光能利用率、最佳气温和降水条件，量化并建立了植被碳汇分级标准；对不同时期各个排土场的植被碳汇结果进行分级，并对分级面积和占比的时空变化进行分析。结果表明：(1) 2005-2020年间研究区植被固碳能力呈上升趋势，年均增长值和增长率分别为1.43 gC/(m~2·a)和6.97%。(2)各排土场生态修复后，植被碳汇值大幅提高，极高和高植被碳汇区面积不断扩大。(3)排土场生态修复效果存在差异，南北排土场表现最佳，沿帮次之，内排土场相对较差。到2020年南、北排土场极高植被碳汇区面积分别达0.94和0.92 km~2，占比为92%和94%；沿帮排土场极高和高植被碳汇区面积达3.64 km~2，占比66%；内排土场极高植被碳汇区面积增长至1.22 km~2，占比达31%;2020年南、北和沿帮排土场已不存在极低植被碳汇区。研究成果不仅为露天煤矿生态环境评估提供了重要的数据支持，也为矿区生态修复策略制定提供了科学依据。

  2024年05期 v.52;No.317 139-150页 [查看摘要][在线阅读][下载 6013K]
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钻掘工程

• 煤矿用自动化钻机远程控制系统的研制

  董洪波;姚宁平;王天龙;马斌;彭光宇;

  针对钻机在复杂施工环境下所面临的劳动强度大以及安全风险高等问题，采用电子电路技术、测量传感技术、远程控制技术、视频监测技术以及大数据技术，研制出一套适用于煤矿自动化钻机的远程监控系统。该系统以ZDY4500LFK型煤矿用钻机为主体，实现了视距内控制、井下集控以及地面远程监控3种控制模式，并构建了云端自动化钻机管控平台。具体而言，视距内监控模式通过遥控器、控制器及配套传感器，实现了对井下视觉范围内钻机的精确操作；井下集控模式则集成了集控舱、隔爆兼本安型计算机、本安显示器、隔爆兼本安型交换机、本安摄像头以及本安操控箱等设备，实现了对井下危险钻场的钻机远距离安全监控；地面监控模式则通过地面操控台、地面服务器、显示器、交换机以及AI智能分析盒子等设备，为自动化钻机的地面远程监控提供了有力支持。此外，云端自动化钻机管控平台则主要用于自动化钻机群运行状态和施工状态的数据统计与分析。研制的远程控制系统应用于ZDY4500LFK、ZDY6500LDK型钻机，并实现了视距内遥控、井下集控以及地面远距离控制等多种控制方式的稳定运行。现场试验和测试研究结果表明：(1)钻机视距内遥控系统遥控器按键丰富、控制器具有CAN、RS485等丰富的接口，手机升级便捷方便，可广泛应用于钻机电控化升级和改造。(2)远程集中控制系统可以实现10 km距离的远程控制，控制响应时间小于200 ms。视频、参数采集数据响应及时无卡滞，可以满足井下钻机远程监控的需求。(3)地面远程监控系统可以实现地面钻机远程监控并具有AI识别功能，可实现人员闯入预警和停机功能。(4)自动化钻机管控平台经过功能、压力、并行、访问测试，功能正常，响应及时，系统无崩溃，可用于自动化钻机数据和工况的统计分析。该控制系统的应用在保证钻孔施工安全的同时也为煤矿钻机实现少人化、智能化、信息化提供了借鉴。

  2024年05期 v.52;No.317 151-159页 [查看摘要][在线阅读][下载 2339K]
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• 数字孪生驱动的掘锚设备跟踪定位与碰撞检测方法研究

  杨文娟;赵典;张旭辉;陈鑫;郑西利;刘彦徽;张冉;万继成;

  掘锚自动化作业是煤矿巷道智能掘进的关键，针对当前掘锚设备交替作业过程中相对位姿测量和碰撞检测难题，提出一种数字孪生驱动的煤矿井下掘锚设备跟踪定位与碰撞检测方法。首先，为克服井下掘进工作面低照度、高粉尘、复杂背景干扰的影响，以多点红外LED标靶作为信息源，通过工业相机采集红外LED特征点图像，利用Hough轮廓检测与质心法提取光斑中心并通过二进制编码识别标靶ID，采用改进稀疏光流算法对光斑进行跟踪，同时建立基于PNP的掘锚设备位姿解算模型，采用对偶四元数获得设备间相对位姿。其次，利用数字孪生技术，基于Unity3D平台建立对应实际尺寸的掘锚设备及工作面数字孪生模型，利用Socket通信方式实现虚拟空间与物理实体之间的实时数据传输与交互，在虚拟空间中实现掘锚设备实时位姿的三维可视化，结合任意多边形OBB(oriented bounding box)碰撞检测算法，实现掘锚设备虚拟碰撞检测。最后，搭建实验平台进行掘锚设备位姿测量试验，同时对虚实运动轨迹和碰撞检测效果进行验证。实验结果表明：掘锚设备跟踪定位实验的位置误差不超过20 mm，角度误差不超过0.30°；虚实位置坐标对比中X轴方向最大误差不超过1.14 mm;Y轴方向最大误差不超过1.10 mm，能够保证系统虚实一致性和同步性，满足掘进工作面作业过程中掘锚设备实时跟踪定位及碰撞检测的要求。

  2024年05期 v.52;No.317 160-173页 [查看摘要][在线阅读][下载 2341K]
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• 松软煤层钻进钻杆减重降阻机制及应用研究

  王永龙;郭佳宽;余在江;杜康;孙玉宁;

  施工瓦斯抽采钻孔是治理瓦斯危害的必要手段，针对松软煤层钻进因钻杆自重大引起的钻进阻力大、钻进效率低及劳动强度高等问题，提出了优化钻杆结构以减少自重并降低钻进阻力的研究思路，通过设置四翼内凹结构达到减小钻杆自重及降低钻进阻力的目的，并依此设计了四翼内凹刻槽钻杆，兼顾钻杆推进阻力和旋转扭矩损失，建立了钻杆钻进阻力模型，结合ANSYS数值模拟方法对四翼内凹刻槽钻杆进行强度校核分析与参数优化，研制了四翼内凹刻槽钻杆，并进行了现场工业性试验。研究表明：(1)对于100 m钻孔深度，四翼内凹刻槽钻杆相对于圆状刻槽钻杆质量减轻了21.88%，在正常钻进时，四翼内凹刻槽钻杆与圆钻杆相比旋转扭矩损失降低了25.10%；与圆状刻槽钻杆相比降低了20.90%。在塌孔10 m的情况下，四翼内凹刻槽钻杆钻进阻力相对于圆钻杆降低了51.44%，相对于圆状刻槽钻杆降低了43.65%。(2)对四翼内凹刻槽钻杆进行强度分析与参数优化，结果显示，在常规坑道钻机作用下，钻杆最大应力与内凹深度呈正相关，与壁厚呈负相关，壁厚对于应力的影响大于内凹深度的影响，且在内凹宽度为33 mm、深度为4 mm、壁厚为11.5 mm时，安全系数为1.59。(3)现场工业性试验表明，四翼内凹刻槽钻杆排渣顺畅，强度可靠，钻进深度提高了18.18%，钻进效率提高了17.80%。在保证钻杆强度的前提下、通过钻杆结构创新有效降低钻杆质量，对于降低工人劳动强度、提高钻进效率和成孔率具有显著的效果，为推动复杂地层钻探技术发展提供了新的方法。

  2024年05期 v.52;No.317 174-182页 [查看摘要][在线阅读][下载 2229K]
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• 基于机器学习的钻井液流变参数智能识别方法

  刘长晔;杨现禹;蔡记华;王韧;王建龙;代凡斐;郭万阳;蒋国盛;冯洋;

  钻井液流变性是钻井液流动和变形的特性，对于携带与悬浮岩屑、提高钻进速度至关重要，准确掌握钻井液流变参数是保证井眼清洁与高效钻进的前提。提出一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)的钻井液流变参数智能识别方法，通过磁力搅拌产生稳定的钻井液流动图像，利用多种数据增强方法增加图像数量并建立数据库，增强模型的鲁棒性和泛化能力。优化AlexNet卷积神经网络算法，构建钻井液流变参数识别模型。将数据库划分为训练集：验证集：测试集=7:2:1，对训练集进行迭代训练并通过验证集调整参数获得最佳拟合模型。此外，运用混淆矩阵、卷积核可视化技术和类激活技术(Gradient-weighted Class Activation Mapping,Grad-CAM)对模型进行多方位评估。结果表明：(1)钻井液流变参数识别模型对钻井液塑性黏度测试的宏精确率为95.2%，宏召回率为94.7%，宏F1值为0.95。(2)对钻井液表观黏度测试的宏精确率为91.6%，宏召回率为91.5%，宏F1值为0.90。(3)利用卷积核可视化技术和Grad-CAM对特征提取进行可视化处理，发现钻井液波纹形状和大小会影响模型流变参数识别准确度。(4)室内测试结果表明，该模型的测试误差为±2 mPa·s，在设计允许范围以内，具有较高的识别精确度和稳定性。所提出的钻井液流变参数实时智能识别方法可为安全、快速和准确地进行钻井液流变性测试提供智能化技术思路。

  2024年05期 v.52;No.317 183-192页 [查看摘要][在线阅读][下载 2704K]
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• 《煤田地质与勘探》征稿简则

  <正>《煤田地质与勘探》于1973年创刊,月刊(2022年1月起变更),中煤科工西安研究院(集团)有限公司主办,是煤炭地质行业学术与实用技术并重的综合性期刊。主要刊载煤炭地质,矿井地质,煤系气,煤伴生矿产,水文地质,工程地质,环境地质,煤田物探,矿井物探,钻掘工程等方面,具有较高学术、技术水平和实用价值的基础理论、先进技术与方法、先进经验等科研或工程实践成果。本刊发表的文章在国内外具有较广泛的影响,欢迎煤炭地质及相关领域的广大科技工作者踊跃投稿。

  2024年05期 v.52;No.317 193页 [查看摘要][在线阅读][下载 656K]
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